Все научные статьи
Дубинина Г.А., Сорокина А.Ю., Гапеева М.В., Долотов А.В. Фракционирование стабильных изотопов железа в ходе бактериального окисления Fe2+ внизкотемпературных железистых источниках различного генезиса
Научная статья
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 1177а бактериального окисления Feаа в низкотемпературных
железистых источниках различного генезиса
Дубинина Г.А. (1), Сорокина А.Ю. (1), Гапеева М.В. fgmv@ibiw.yaroslavl.ru) (2), Долотов А.В. (3)
(1)Учреждение Российской академии наук Институт микробиологии им. С.Н.
Виноградского РАН (2)Учреждение Российской академии наук Институт биологии внутренних вод им.
И.Д. Папанина (З)Ивановский государственный университет
Введение
Железо является одним из важных биогенных элементов, четвёртым по величине распространённости в земной коре и, кроме того, претерпевает активный окислительно-восстановительный цикл в поверхностном слое Земли. В последнее десятилетие исследования стабильных изотопов железа при изучении геохимических и биогеохимических процессов вызывает большой интерес исследователей. Этот интерес диктуется, прежде всего, возможностью использования изотопов железа в качестве маркеров (biosignature) для расшифровки и понимания происхождения современных и древних докембрийских осадочных железистых руд Земли, а также при изучении марсианских отложений железа [1-4]. Однако современный уровень знаний по фракционированию стабильных изотопов железа не позволяет достаточно надежно интерпретировать получаемые результаты. В значительной степени это обусловлено недостатком сведений о механизмах абиогенных и биологических процессов дифференциации изотопного состава соединений в трансформации различных форм железа. Немногочисленны также сведения о факторах, контролирующих процессы дифференциации изотопного состава соединений железа в процессах, протекающих в природных средах.
Цель настоящего исследования дать сравнительную оценку скоростей
микробиологических и абиогенных окислительных процессов, а также их вклада в
трансформацию состава стабильных изотопов железа в низкотемпературных
минеральных железистых источниках различного происхождения.
Материал и методы исследований
Исследования были проведены на четырех низкотемпературных минеральных железистых источниках месторождения Марциальные воды (Южная Карелия) и на соленом источнике курорта Старая Русса.
Месторождение Марциальные воды расположено в южной части Балтийского гидрогеологического массива, в зоне регионального тектонического разлома архей-протерозойского возраста. Минеральные воды приурочены к зоне интенсивной трещиноватости, имеют напорный характер фильтрации. Выделены два водоносных комплекса - четвертичных отложений и водоносный комплекс пород протерозоя, с которым связано формирование месторождения высокожелезистых минеральных вод. Сток воды из источников осуществляется в окружающую заболоченную местность по желобам (источники № 2, 3, 4), либо непосредственно в близлежащее болото (источник № 1). Охристые отложения оксидов железа Fe отлагаются на выходе каптированных источников и по ходуа стокова воды.а Общая минерализация вод во всех источниках
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 1178а Источник № 8 курорта старая Русса генетически связан с водоносным горизонтом древнего моря девона. Общая минерализация воды составляет 20 г/л, концентрация растворенного кислорода - 0,1 мг/л. Содержание Fe + - 11 мг/л (табл. 1.4). Температура воды на выходе источника 11-14С.
Содержание Fe и Fe в образцах воды источников и в пробах модельных экспериментов, фиксированных добавлением ацетатного буфера, определяли согласно методикам [8]. Концентрации растворенного кислорода измеряли оксиметром Hanna HI 9142 на месте отбора проб, либо в газовой фазе - на газовом хроматографе Хроматэк кристалл 5000.1, рН воды определяли с помощью полевого рН-метра Hanna Cheker 1.
Измерение изотопных соотношений железа со средним относительным стандартным отклонением 0,48%. проводили на приборе DRC-e ICP-MS при оптимальных условиях анализа изотопного соотношенияа Fe [5].
Микробиологический анализ осадков свежеосажденных оксидов Fe осуществляли с помощью светооптического фазового-контрастного микроскопа Olympus СХ - 3 и трансмиссионного электронного микроскопа JEM - 100 после фиксации материала глутаральдегидом без контрастирования материала, нанесенного на сетки с формаровой пленкой. Количественный учет литотрофных нейтрофильных железобактерий проводили методом предельных десятикратных разведений на минеральной агаровой среде с нитратами. Культивирование выделенных штаммов производили на вышеуказанной среде анаэробно либо на полужидкой среде (0,3 % агара) с FeS с созданием градиентной редокс-зоны ниже границы воздушной среды. Один из штаммов железоокисляющих нитратредуцирующих бактерий, выделенный из железистого источника № 8 (Старая Русса), был описан нами в качестве нового вида Hoefleasiderophilasp. nov. VKM-A7094T (Россия). Данный штамм был использован в экспериментах с целью определения фракционирования стабильных изотопов Fe при окислении FeS в анаэробных условиях с участием нитратов.
Моделирование процессов микробиологического и химического окисления Fe
в воде источников
Стеклянные флаконы объемом 0,5 л наполняли на изливе каждого источника водой доверху с помощью резинового шланга, пропуская через флаконы несколько объемов воды для предотвращения контакта с кислородом, и закрывали резиновыми пробками. В каждой серии опытов из пресноводных источников № 1, 3, 4 месторождения Марциальные воды и соленого источника № 8 курорта Старая Русса в качестве ингибитора биологических процессов [6] вносили свежепрокипяченый раствор NaCl в воду соответствующего источника до конечной концентрации в контрольных флаконах 5% и 10% соответственно. Для оценки влияния концентрации растворенного кислорода на скорость окисления и фракционирование изотопного состава железа в каждой серии опытов во флаконы вводили определенный объем стерильного воздуха по ранее разработанной схеме [7]. Более детально схема использованных вариантов представлена
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 1179а Результаты и обсуждение
Результаты экспериментов по влиянию растворенного кислорода и исходной
концентрации Fe в минеральных источниках на скорость окислительных процессов и
эффективность фракционирования стабильных изотопов железа представлены в таблице
1.1 - 1.4. При сопоставлении полученных результатов обнаруживается четкая зависимость
дифференциации изотопного состава в образуемых оксидах железа Fe + по сравнению с
восстановленным железом Fe исходной воды как от кислородного режима
окислительных биологических реакций, так и от исходного содержания окисляемого
железа. Максимальное обогащение образуемых оксидов железа легким изотопом Fe
наблюдалось при биологическом окислении железа в микроаэробных условиях (при
концентрации растворенного кислорода в опытах порядка 0,3-0,35 мг/л) и за счет
биологических процессов анаэробного окисления. В условиях свободного доступа воздуха
и насыщения воды кислородом (около 9,5 мг/л) при высокой скорости окисления Fe
отмечены минимальные величины фракционирования изотопов как при бактериальных,
так и особенно при абиогенных процессах. Это может быть обусловлено тем, что
анаэробных условиях при нейтральных и слабокислых значениях рН воды источников
(6,2-6,4) одновременно активно протекают процессы химического окисления. При
высокой скорости окислительных процессов эффективность дифференциации изотопного
состава и относительное облегчение оксидов железа заметно снижалась во всех случаях
(табл. 1.1-1.4).Эффективность фракционирования изотопов была максимальной при
анаэробном окислении железа в присутствии нитратов, используемых
железоокисляющими анаэробными бактериями в качестве акцептора электронов. В
анаэробных условиях химическое окисление и фракционирования изотопов практически
не происходило в контрольных вариантах опытов в присутствии NaCl. Исходная
концентрация растворенного Fe практически не оказывала влияния на эффективность
фракционирования изотопов как при бактериальном, так и при химическом окислении
(табл. 1.1 - 1.4). Следует отметить, что окисление Fe в вариантах опытов с водой
источника № 4 на конечных этапах сопровождалось увеличением кислотности среды и
снижением рН до величин 2,75-3 при бактериальном окислении железа как следствие
образования гидроксидов Fe3+аа Fe3++3H20Ч>Ре(ОН)з+ЗН+
В контрольных вариантах, где отмечено лишь незначительное окисление железа величины рН воды снижались незначительно таблице 1.1-1.4.
Обнаруженные на источниках Марциальных вод закономерности дифференциации стабильных изотопов железа при биологических и абиогенных окислительных процессах практически не отличались от полученных при исследовании соленого источника № 8 Старой Руссы.
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 1180а Таблица 1. Влияние кислородного режима и исходной концентрации Fe в воде на процессы его бактериального и абиогенного окисления в железистых источниках месторождения Марциальные воду и курорта Старая Русса.
Таблица 1.1
Источник 1
Да ттаа Длительность опыта, сутки _ Окисла Исход.а В 45 |
еноа конц- о ия, мг/ла 15а 30а 38 |
Опыт Контр Опыт Контр |
Кисло родный режим
Микро аэробно
Анаэ робно
Содержание Fe +, мг/л
Вари ант |
Длительность опыта,
Исход.а сутки
9Д 9,2 |
16 |
16 |
опыт конц-
37 |
44 |
50 |
Fe2+,/ |
1,2 |
0,5 |
0 |
100 |
8 |
8 |
8 |
50 |
- |
- |
14,7 |
8 |
_ |
_ |
15,5 |
3 |
0,25
0,25
рН |
Содержание Ог, %
В
нач конц
5,8 6,2 |
52а 54а опытаа опы та
0,3 0,3 0,3аа 0,4аа 0,3аа 0 0,3 0,4 0,3а 0,38а 0,3аа 0
6,4
56/54
Величина Fe
В оса
дках т-аа 3+ Fe |
В
исход, воде
12,649 |
11,746 11,841
11,106 11,815
Таблица 1.2
Источник 3 |
||||||||||||||||
Сислоро |
Вари |
Содержание Fe |
2+ 5 |
мг/л |
Содержание Ог, |
% |
рН |
Величина Fe56/54 |
||||||||
дный режим |
ант опыта |
Исход, конц- |
Длительность опыта, сутки |
Окисл ено |
Исход, конц- |
Длительность опыта. |
,сутки |
В нача ле |
в конце |
Ва Boca исход.аа дках |
||||||
ия, мг/л |
15а 30 37 |
44 |
50 |
Fe2+,% |
ия, мг/л |
15 |
30 |
38 |
45 |
52 |
54 |
опыта |
опыта |
-гаа 3+ воде Fe |
||
Аэробно Анаэ |
Опыт |
. |
- |
6 |
90,5 |
- |
15 |
16 |
- |
- |
5,8 |
2,97 |
11,768 |
|||
Контр Опыт |
63 |
-а - - |
- |
17 60,5 |
73 4 |
0,09 |
- |
16,5 |
17 |
- |
- |
7 |
6,3 |
5,87 |
11 999 12 772а ' ' 11,453 |
|
робно |
Контр |
. |
- |
62 |
1,6 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
11,837 |
|||
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 1181а
Содержание Ог, % Длительность опыта, сутки 38 15 17 45аа 52а 60аа 68аа 78а 90 0,4 0,32 0,2 0,3а 0,3 0,18 0,5 0,4
0,4
5 1 1,1а 0,8 0,26 0,6 1,1 2+
Источник 4
15 |
1 |
Содержание Feа , мг/л
Кисло родный режим |
Вари ант опыта |
Исх. конц- ия, мг/л |
Длительность опыта, сутки |
Окисл ено Fe2+,% |
Исх. конц- ия, мг/л |
||||
15 |
30 |
37 |
45 |
90 |
|||||
Опыт |
- |
- |
- |
- |
1 |
99 |
|||
Аэробно |
Контр |
- |
- |
- |
- |
47 |
63 |
||
Микро аэробно |
Опыт Контр |
126 |
84 125 |
50 12 0 |
40 11 5 |
35 11 5 |
1 83 |
99 34 |
0,47 |
Анаэ |
Опыт |
- |
- |
- |
- |
11 6 |
8 |
||
робно |
Контр |
- |
- |
- |
- |
12 2 |
3 |
||
Таблица 1.3 |
|||
Величина |
|||
Рм |
Fe |
56/54 |
|
В |
В |
||
нача |
конц |
В |
В оса |
е |
е |
исх. |
дках |
опы |
опы |
воде |
т^аа 3+ Fe |
та |
та |
||
2,75 |
11,862 |
||
4,8 |
11,791 |
||
2,8 |
11,703 |
||
6,2 |
6,13 |
12,5 31 |
12,028 11,788 |
- |
12,093 |
||
Таблица 1.4 |
|||
Кислоро |
Вари |
Исх. |
дный |
ант |
конц- |
режим |
опыта |
ия, мг/л |
Микро аэробно |
Опыт Контр |
11 |
2+
Содержание Feа , мг/л Длительность опыта, сутки
15 30а 37а 44аа 50
0
7
Окисл ено
Fe2+,%
100 36
Источник 8
Исх. конц- ия , мг/л 0,1 |
Содержание Ог, % Длительность опыта, сутки
15а 30а 38а 45а 52а 54
РН |
Величина Fe |
||
В |
|||
В |
В |
В оса |
|
нача |
|||
конце |
исход. |
дках |
|
е |
опыта |
воде |
т-аа 3+ Fe |
опыта |
|||
6,4 |
11,7579 |
||
7,0 |
1 |
12,7116 |
|
1 |
6,7 |
12,0745 |
|
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 1182а источников.
В таблице 2 представлены результаты определения состава стабильных изотопов Fe в воде источников, стоков прилегающих болот и железистых осадков. Сопоставление величин изотопного состава воды и образуемых охристых осадков железа с несомненностью свидетельствуют об облегченном изотопном составе последних. В наибольшей степени легким изотопом Fe обогащены свежеосажденные оксиды железа и взвесь в болоте, и поверхностные слои осадков, образуемые по ходу стока источников по желобам, в наименьшей степени - сухие красных охры вдоль желобов или на удалении от него.
Таблица 2. Изотопный состав железа природных образцов и осадков железистых источников месторождения Марциальные воды и курорта Старая Русса.
Место отбора проб Источник
Источник 1
Болото
Источник 2
Источник
Источник 3
Болото
Источник 4
Источник 8
Исследуемый образец
вода
верхний слой осадков в
трубе на изливе источника
вода
свежеосажденныйаа верхний
слой осадков по ходу стока
в болото
рыхлый железистый осадок
вода
свежеосажденный
железистыйаа осадокаа на
изливе источника
вода
осадок на стоке воды
источника
вода
свежеосажденный
железистый осадок
вода
вода из желоба
свежеобразованный осадок
в месте слива источника
вода на выходе источника
свежеобразованная взвесь
оксидов железа
Величина Fe
12,6488
11,7060
12,7537
11,9054
11,5051 12,7165
11,6869
12,7720
11,7838
12,8311
11,5820
12,5311 12,4810
11,5444
12,7116
11,4959
Исследование сообществ железоокисляющих микроорганизмов в воде и осадках
железистых источников
Микроскопический анализ свежеосажденных железистых осадков на месте выходов источников и далее по ходу стока в желобах и взвешенных в болотной воде оксидов железа выявил, что в основном они представлены ожелезненными структурами известных морфотипов железобактерий [6], а также палочковидными бактериями, покрытыми ожелезненными капсулами. Аморфные оксиды железа составляли лишь очень незначительную часть анализируемых осадков (рис. 1 В). Сходная картина получена при микроскопическом анализе стекол обрастания и щелевых пелоскопов, экспонированных
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 1183а В источниках № 2, 3, 4 преобладали ожелезненные структуры некультивируемых железобактерий Toxothrixtrichogenesи одноклеточные железобактерии, покрытые ожелезненными капсулами (рис. 1 Б).
Количественный учет литотрофных нейтрофильных железобактерий позволил выявить 10-10 клеток в 1 см осадков всех источников, включая Старорусский источник № 8. Из осадков этого источника выделена чистая культура железоокисляющих бактерий, способных как к окислению Fe кислородом в микроаэробных условиях, так и к нитратзависимому росту в анаэробных условиях. Штамм Hf- 1 на основе фено- и генотипических свойств и филогенетического анализа был идентифицирован в качестве нового вида Ное fleasiderophilasp.nov. и использован для выяснения участия в фракционировании стабильных изотопов железа.
|
Рис.1 Бактериальные (А, Б) и абиогенные оксиды (В) всвежеосажденных железистых осадках.
А - ожелезненные стебельки Gallionellaиз болота вблизи источника № 1, Б -одноклеточные железобактерии покрытые ожелезненными капсулами источника № 3; В -аморфные оксиды Feаа . Электронные микроскоп. Шкала 2 мкм (рис. 1 А) и 0,5 мкм (рис. 1
Б, В).Изотопный состав стабильных изотопов железа в воде и железистых осадках источников месторождения Марциальные воды
В таблице 2 приведены результаты анализа изотопного состава воды источников и поверхностных слоев осадков на месте выхода и в желобах по ходу стока воды, а также в прилегающих территориях болот. Сопоставление изотопного состава растворенного Fe в исходной воде и образуемых окисленных осадках Fe свидетельствует о заметно выраженном облегчении изотопного состава последних.
Фракционирование стабильных изотопов железа в культурах литотрофных нитратзависимых нейтрофильных железобактерий.
С целью выяснения вклада бактериальных окислительных реакций в дифференциацию изотопного состава железа проанализирован изотопный состав оксидов железа, образуемых в чистых и накопительных культурах железоокисляющих бактерий при анаэробном нитратзависимом росте, заведомо исключающем химические окислительные процессы.
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 1184а Таблиц 3.аа Фракционированиеаа стабильныхаа изотоповаа желез ваа культурах литотрофных нитратзависимых нейтрофильных железобактерий.
Условия культивирования или экспозиции FeS в контроле |
Место
выделения
культур
железоокисляю
щих бактерий
Источник № 8 курорта Старая Русса
Источник № 4 Псекупского месторождения минеральных вод,аа содержание Fe2+ воде 11 мг/л
анаэробная твердая агаровая среда + FeS
анаэробная твердая агаровая среда + FeS
анаэробная жидкая среда + FeS
+ бактерии
контроль
без бактерий
+ накопительная
культура
железобактерий
контроль
без бактерий
накопительная
культура
железобактерий
контроль
Исследуемый образец
Охристые колонии Hoeflea
siderophilasp. nov.
Следовые количества оксидов
Fe3+
Оксиды Fe в колониях бактерий
над слоем FeS
Оксиды Fe + над слоем FeS
Следовые количества оксидов
Fe3+
Бактериальныйаа осадокаа оксидов Fe + со дна флакона
Следовые количества оксидов
Fe3+
Величи на
56/54ре
11,9538
12,0006
11,5521 11,2583 12,0812
11,4467
12,0812
Заключение
Таким образом, сопоставление величин эффекта изотопного фракционирования железа и обогащения осадков оксида железа легким изотопом Fe в природных осадках исследованных источников месторождения Марциальные воды и Старорусского источника и в прилегающих районах заболоченных площадей с полученными в модельных экспериментах и в культурах железоокисляющих бактерий свидетельствуют о превалирующей роли микробиологического (биогенного) фактора в дифференциации изотопного состава отложений окисленных соединений железа, а также в процессах окислительной ветви геохимического цикла железа в современных водных системах, обогащенных растворимым железом. Из вышеприведенных материалов о зависимости скорости окислительных процессов и трансформации изотопного состава железа от окислительного режима следует, что на границе редокс-зоны в микроаэробной среде и нижележащих горизонтах действие биогенного фактора по сравнению с абиотическими многократно усиливается. Полученные результаты вносят вклад в понимание биогеохимического цикла железа в современных водоемах, а также могут быть использованы для интерпретации происхождения древних осадочных залежей железистых
РУД-
Работаа выполненаа приа поддержке Российскогоа фонда фундаментальных исследований (РФФИ) 07-05-00336
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 1185а
Все научные статьи